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21條狗 85隻羊..它們的遭遇 讓人類學會安全潛水

減壓病,幾乎潛水活動的頭號敵人。除了讓潛水員痛不欲生,它的發生率還很高,稍不留神就會中招。

減壓病讓一名男子(Alejandro Ramos Martinez)腫得像個氣球

在20世紀之前,減壓病除了無藥可醫外,更難以預防,潛水員經常被發現全身臟器「冒着氣泡」死亡。但幸好,我們現在已有減壓理論的知識裝備,做足功課後就能很大程度地避免減壓症的發生了。

不過,你有沒有想過,這些知識怎麼得來?

如果沒有21條狗命、85隻山羊和無數隻小動物犧牲,我們可能很難掌握真相。它們代替人類深潛海底,用自己的身體給科學家帶來了最寶貴的數據。

一隻患減壓病的山羊,可以看出其左腿已無法彎曲伸直

深海最可怕的是什麼?不是缺氧和寒冷,而是能壓扁一切的巨大壓強。

眾所周知,越海洋深處去,海水壓強就越大,大概每下降10米高度,就相當於增加1個標準大氣壓。當下落到4000米的海底時,壓力就差不多相當於被壓在14輛裝滿水泥的大卡車底下。所以,光靠想像人類在深海承受的壓力,就讓人毛骨悚然了。

不同深度人類肺部大小的變化

不過,實際情況很可能沒想像中可怕。理論上只要調整好體內外空腔平衡,人是可以做到不被壓扁的。而這很大程度上是因為人體本身就是由水組成的。當人體與周圍海水保持着一樣的壓強,周圍的水壓便不能像液壓機一樣將人壓得粉身碎骨了。你看,這不是還有各種魚類能在深海里吃好活好(當然,它們的身體也有許多適應深海的生理特性)。

但是,這並不代表着人類就能逃脫深海壓強的擺弄。其實,最恐怖的事並非發生在下潛時,反而是從深海上浮至海面的過程中,你將會經歷最痛不欲生的減壓。

空氣主要由78%的氮氣,21%的氧氣和1%的稀有氣體組成。而在下潛過程中,隨着壓強的不斷增大,這些氣體分子也會不斷被壓縮,而人體吸入的氣體分子數量也比水面多得多。

因為人體會不斷地消耗氧氣,在高壓下吸入的多餘氧分子問題並不大,它們能輕易被吸收一般不會在體內積累。而呼吸作用產生的二氧化碳,也比較容易被排出。

但唯獨佔比最大的氮氣最陰魂不散。這也是減壓症發生的根本原因。在下潛的壓力下,人體內過多的氮氣會變成一個個極小氣泡,並在血液和組織內隨意遊走。當上浮過快、壓力驟減時,這些來不及排出體外的氮氣,便會瞬間膨脹、破裂。

這就像突然被打開瓶蓋的蘇打水,「呲」的一聲,我們的身體就充滿了氣泡。這是真正意義上的「渾身冒泡」。

下潛時,我們的血液、大腦、關節、心肝脾肺腎等各個器官組織以不同速率溶解的氣體,現在則再次以不同速率釋出。而這些氣泡造成的空腔,將會堵塞人體的血管,造成細胞缺氧、損傷,引起疼痛和各種炎症反應。

減壓病人關節處的氣泡會讓人無法彎曲伸直肢體,所以減壓病也被稱為「bends」

人類從很早之前,就已經知道減壓病的存在了,只要與潛水相伴的職業基本上都離不開減壓病。例如在幾千年前,採珠、采海綿等原始的屏氣潛水作業,就造成了無數人患上減壓病。

到1873年,安德魯·史密斯(Andrew Smith)則首次使用「沉箱病」(caisson disease)一詞描述了減壓病。

沉箱的結構示意圖,其本質就是一個無底的防水容器。水會被從沉箱中泵出,再通入壓縮空氣防止進水,提供了乾燥的工作環境。圖源:維基百科

當時,許多巨大的壓縮空氣箱被用於建造河上的橋墩和橋台。這種沉箱確實能更高效且更低成本地完成建築,但也付出了巨大的「隱藏成本」。在高壓環境下長時間作業,建築工人很快會病倒,出現頭痛,關節肌肉劇烈疼痛、無法伸直等各種症狀,嚴重致死。

而在布魯克林大橋的建築過程中,就發生110例減壓病,其中3人慘死,這數量已經超過所僱工人的六分之一。

布魯克林的建築圖,可以看到有沉箱的設計,圖源:Fotosearch/Getty Images

然而,因為對減壓病的不了解,人們只當這是一種神秘疾病。也就是說,都要邁入20世紀了,人們對減壓病還是一無所知。

為了弄清楚沉箱工人和潛水員患減壓病的病理學原理,人類首先犧牲了21條狗命。

1878年,法國生理學家保羅·伯特(Paul Bert),就將24隻狗暴露在7-9個標準大氣壓下,然後再在1-4分鐘之內迅速減壓。結果,所有狗都患上了嚴重的減壓病,其中的21隻狗更是當場斃命。

通過給這些狗進行屍檢,伯特很快得出結論。減壓病是溶在血液中多餘的氮氣所致。而他也建議潛水員和沉箱工人以一定的速度緩慢減壓,這能讓溶在血液中氮氣緩慢逸出,以預防減壓症的發生,減少對身體的傷害。

保羅·伯特(Paul Bert,1833-1886)

但光知道這一點是沒多大用處的。靠24條狗,伯特並未能提供相關的詳細數據,緩慢減壓到底要多慢?在多深的海底,氮氣會以什麼速率滲透入人體各組織,而在上浮時,這些氣體又會以什麼怎樣的速率逸出?而且,在水下50米待20分鐘和在水下100米下待10分鐘,又有什麼區別?這些都亟待解決的問題。

當時,最常見的建議是以每20分鐘降低一個大氣壓的方式讓潛水員上浮。但實際應用效果也很差,幾乎無法避免減壓症的發生。

而潛水員,也只能在減壓症發生時,再次被送回海里或在高壓艙內呼吸壓縮空氣治療。如果有預防方法,潛水員就不用遭受這些額外的折磨了。

1920年,約翰·霍爾丹在牛津的實驗室內(John Scott Haldane)

邁入20世紀,蘇格蘭生理學家約翰·霍爾丹(John Scott Haldane)就帶着85頭山羊,登上了研究減壓症的歷史舞台。

在這之前,霍爾丹已小有成就了,因礦井有害氣體和呼吸研究而聞名。所以在1905年,英國皇家海軍的人就找到了霍爾丹,希望他研究減壓病並找出預防的方法。

而與皇家海軍的合作試潛中,霍爾丹就驚喜地發現,在33英尺(10米)以上的深度,無論潛水員停留多久、上升多快都不會發生減壓病。這個深度的壓強,則剛好約為兩個標準大氣壓,是水面氣壓的兩倍。

根據這一現象,霍爾丹也提出了一個大膽的猜想:如果潛水員在兩個標準大氣壓的環境,迅速上浮至一個標準大氣壓的環境而沒有產生任何不良反應。那麼無論在什麼深度,上浮速度有多快,人類都能承受氣壓的對半下降。

按照這個思路,如果潛水員下潛到300英尺(約91.4米)的海中,周圍的壓強大概為148帕斯卡。

那麼,潛水員就可以立即上浮至74帕斯卡的深度,也即134英尺(約40.8米)。在這一深度停留一段時間,讓人體內的氮氣逸出後再繼續上浮至51英尺(約15.5米)的深度,在那裏壓強則為37帕斯卡,剛好是74帕斯卡的一半。

之後的步驟,也是一直以此類推,直到潛水員安全浮出水面。而霍爾丹也把這叫階段式減壓(staged decompression),如果潛水員這樣上浮,便能預防減壓症。

當然,只有假說還不夠,還需要驗證。起初,霍爾丹的設想是用兔子、老鼠、雞等來做實驗動物。但是,想從這些小動物身上發現症狀,其實並不容易。畢竟體型較小的動物,氣體交換的速度也更迅速。

此外,霍爾丹也想過用靈長類、豬和狗等哺乳類動物,但不是太難獲得(豬)、脾氣太過暴躁(狒狒)就是呼吸速率與人類相去甚遠(狗)。

減壓實驗所用的豬和山羊

唯獨山羊的呼吸速率,與人類最為接近的,剛好是成年男性的1.7倍,而性格也相對溫和。

於是,85隻山羊,便逐批地送進高壓艙,接受殘酷的減壓實驗。在壓強急劇變化的環境下,這些山羊會和人類一樣表現出呼吸短促困難、關節無法彎曲等症狀。

儘管部分山羊後期可以慢慢恢復,但情況嚴重的,還是會造成永久性傷害甚至休剋死亡。

老年的霍爾丹鑽進高壓艙,拿自己的身體做實驗

不過,霍爾丹並非對這些實驗動物沒有同情心。其實在礦井中養金絲雀以檢測甲烷和一氧化碳濃度的做法,也是霍爾丹發明的。如果金絲雀出現不良反應就表示甲烷和一氧化碳濃度過高了。

但霍爾丹並沒有打算放棄犧牲金絲雀的性命。他反而是在雀籠底下巧妙地設計一個氧氣艙。金絲雀暈倒後,便會落入氧氣艙內,艙門關閉後它便有了生的機會。

美國礦工與金絲雀,在過去一百年時間內金絲雀都以哨兵的身份挽救了無數礦工的生命

在這次減壓實驗中,他也盡最大的努力減緩山羊的痛苦。例如,在實驗設計時他會最大限度地讓山羊不會被殺死。如果實驗過後山羊確實表現得極度痛苦,它們也會被安排安樂死。另外,那些倖存下來的山羊,則會「光榮退伍」再找個好人家收養,安享晚年。

毫無疑問,那組採用了階段式減壓的山羊是最幸運的。它們不但沒有出現任何不良的反應,日後更能衣食無憂。

電影《Licence To Kill(1989)》中描述了瞬間減壓的誇張死法

而在動物實驗過後,霍爾丹便馬不停蹄地安排了真人測試。但無論是在高壓艙模擬還是真正的下海實操,採用了階段式減壓的都沒有出現減壓病。

為了證明即便是沒有受過潛水訓練的人,也能根據減壓停留法預防減壓病,霍爾丹甚至不惜讓自己13歲的孩子潛入海底。而這個小霍爾丹便是知名的遺傳學家約翰·霍爾丹(J.B.S Haldane)。著名小說《美麗新世界》的靈感,便來自於小霍爾丹的構想。

霍爾丹的減壓表1

到1908年,霍爾丹就發佈了一份劃時代的潛水錶格,這成了所有潛水員的藍皮書。在這之後,這份潛水錶也被不斷地發展和優化了,指導着潛水工作。

就是這麼個小小理論,到現在仍在拯救着全球數百萬人的性命。可以說,所有潛水員的安全與健康,基本都建立在了霍爾丹的研究上。當然,那24條狗、85隻山羊和無數被扔進減壓艙的小動物也功不可沒。

Haldane's decompression model.Wikipedia

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Chandrasekhar Krishnamurti.Historical Aspects of Hyperbaric Physiology and Medicine.IntechOpen.2019

Michael A. Lang and Alf O. Brubakk. Future of Diving:100 Years of Haldane and Beyond is co-sponsored.Smithsonian Institution.2009

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